IFBA MOSFET. CELET Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica Professor: Edvaldo Moraes Ruas, EE. Vitória da Conquista

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1 IFBA MOSFET CELET Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica Professor: Edvaldo Moraes Ruas, EE Vitória da Conquista MOSFET s - introdução Semicondutor FET de óxido metálico, ou Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect); É um transistor unipolar, pois depende somente de um tipo de carga, ou as lacunas ou os elétrons; Ao contrário do JFET a porta é isolada do canal. É um dispositivo sensível a tensão 1

2 MOSFET s estrutura e símbolos Tipo Depleção normalmente ligado Tipo Intensidade normalmente desligado Fonte porque os elétrons livres entram no dispositivo nesse ponto. Dreno por onde os elétrons livres saem; Substrato ou corpo (o quarto terminal); Porta = gate - SiO 2 = dióxido de silício = isolante (mesmo que vidro). MOSFET-D Tipo Depleção - Funcionamento Modo de depleção V DD força os elétrons livres a passarem pelo canal; Quanto mais negativa a tensão da porta, menor a corrente do dreno; Corrente da porta = de fuga, desprezível; Deste modo o funcionamento do Mosfet é semelhante ao de um Jfet; Modo de intensificação (crescimento) Como a porta é isolada do canal, podemos aplicar uma tensão positiva à porta; Que aumente o número de elétrons livres do canal; Corrente da porta = de fuga, desprezível; Resistência de entrada da ordem de MΩ a MΩ. 2

3 Curva de Dreno Região de saturação; Região ativa; Região de corte; Região de ruptura. MOSFET-D Tipo Depleção - Curvas Curva de Transcondutância A equação para qualquer JFET é: A curva é um trecho de parábola; Ponto Q --- V GS = 0 e I D = I DSS ; MOSFET-D Tipo Depleção - Polarização Polarização zero; Como o Mosfet s s opera no modo depleção todos os métodos de polarização do Jfet s podem ser usados: Polarização da porta; Autopolarização; Por Divisor de Tensão; Por Fonte de Corrente. 3

4 MOSFET-D Tipo Depleção - Aplicações Se a impedância de entrada de um Jfet não for suficientemente alta, podemos usar um Mosfet; Como Buffer; Como Amplificadores GC; Baixo ruído; Mosfet com porta dupla para amplificadores cascode, que equivale a amp. GC e um SC. Usado para altas frequências, devido sua baixa capacitância de entrada; Circuito de RF. MOSFET-E Tipo Intensificação - Funcionamento Esse Mosfet conduz somente no modo de intensificação; É amplamente usado como uma chave porque é normalmente desligada. Criando a camada de inversão Quando V GS = 0 o substrato p tem apenas alguns elétrons, portadores minoritários, I D = 0; A porta e o substrato são como duas placas de capacitor separados por um dielétrico (SiO 2 ); Um potencial positivo na porta joga elétrons livres no substrato p, que recombinam com lacunas adjacentes do dióxido de silício; 4

5 MOSFET-E Tipo Intensificação - Funcionamento Quanto a porta é suficientemente positiva e todas as lacunas adjacentes estão recombinadas, ela passa a formar um canal fino entre a fonte e o dreno (camada de inversão tipo n); Os elétrons livres começam a fluir da fonte para o dreno. Tensão de Limiar (threshold) É a mínima tensão V GS que cria a camada de inversão tipo n; Quando V GS < V GS(limiar) a corrente de dreno I D = 0; V GS(limiar) pode variar de 1V a mais de 3V. MOSFET-E Tipo Intensificação - Curvas Curva de Dreno Região ôhmica (saturação - principal uso); Região ativa = fonte de corrente; Região de corte; Região de ruptura. Curva de Transcondutância A equação é diferente da anterior: I D = k[v GS V GS(limiar) ] 2 ; k = constante que depende do Mosfet; Exemplo: 0,008 = K(5-3) 2 = 4K; k = 0,002; Portanto: I D = 0,002(V GS 3) 2 ; A curva é um trecho de parábola. 5

6 MOSFET Tensão de Ruptura Os Mosfet s dos tipo depleção e de intensificação, têm uma camada fina de dióxido de silício, justamente para dar à porta maior controle sobre I D ; Por esse fato ela é facilmente destruída por uma tensão excessiva; Por exemplo, um 2N7000 tem uma especificação de V GS(max) = ± 20 V; Pode-se destruir essa camada de maneira mais sutis: Inserindo ou retirando o Mosfet de um circuito ainda energizado; Ou pegando pg neles, eletricidade estática. Por isso frequentemente eles são embalados com anéis metálicos em volta de seus terminais, que são retirados depois de ter sido ligado ao circuito; Alguns Mosfet s são protegidos por diodos zener interno, o que reduz a alta resistência de entrada. MOSFET-E Tipo Intensificação - Polarização Quando o Mosfet s operam no modo intensificação nem todos os métodos de polarização do Jfet s podem ser usados: Polarização da porta; Por Divisor de Tensão. Polarização por realimentação do dreno; Como I G 0, não aparece nenhuma tensão através de R G ; Portanto V GS = V DS(ligado) ; Se I D(ligado) aumenta, V DS(ligado) diminui. Isto reduz V GS. O que compensa parcialmente o aumento inicial em I D(ligado) ; Ponto Q R D. 6

7 MOSFET-E Amplificador cc Opera sempre até a frequência zero, sem perda de ganho; Não é necessário capacitores de acoplamento; A tensão quiescente de saída é 0 V. MOSFET-E Tipo Intensificação Como chave Os circuitos que utilizam o transistor como fonte de corrente são chamados: circuitos lineares, circuito analógicos etc. Os circuitos que utilizam o transistor como chave são chamados: Circuito de chaveamento, circuito digital ou circuito lógico. Os Mosfet s tipo intensificação são mais indicados para circuitos digitais. Pelo seu baixo consumo; Pequeno espaço de ocupação numa pastilha. Região ôhmica: R DS(lig) = V DS(lig) I D(lig) Por esta razão são usados na fabricação de microprocessodores, memórias e em outros dispositivos. 7

8 MOSFET-E Tipo Intensificação Como chave Amplificador amostra e mantém O Jfet ou o Mosfet pode funcionar como chave, em derivação ou série com a carga; O Mosfet tipo Intensificação é conveniente porque normalmente está desligado; A constante de tempo de carga é pequena porque r ds(ligado) é pequeno; Já a constante de tempo de descarga depende de R L ; Fazendo R L suficientemente grande o capacitor pode manter sua carga durante um longo tempo; Usados em conversores. MOSFET-E Tipo Intensificação Como chave Carga Ativa Por causa da polarização por realimentação do dreno; r ds(ligado) é 10 vezes maior do que r ds(ligado) de Q 2 ; Superior funciona como resistor; O inferior como chave. 8

9 MOSFET-E Tipo Intensificação Como chave Inversor CMOS Circuitos MOS complementares (CMOS); Quando um componente está ligado; O outro esta desligado d e vice-versa; A tensão de saída é sempre oposta a da entrada; Circuitos em séria corrente fuga (nanoampéres). MOSFET-E Tipo Intensificação - VMOS Mosfet convencional Canal Vertical - VMOS Duas Fontes; Substrato age como dreno; Quando V GS > V GS(limiar) ; Forma-se dois canais mais largos; I D é muito maior; Antes não podiam competir com as especificações de potência dos TBJ; Amplificadores de áudio, de RF, etc. I D 9

10 MOSFET-E Tipo Intensificação - VMOS Vantagens TBJ - Deriva térmica Um aumento na temperatura; t Abaixa V BE o que provoca um aumento e I C ; Que por sua vez produz um aumenta maior na temperatura; Se a dissipação de calor for inadequada, o transistor é danificado. VMOS - Ausência de deriva térmica Coeficiente térmico negativo; À medida que a temperatura aumenta I D diminui; O que reduz a dissipação. MOSFET-E Tipo Intensificação - VMOS Vantagens TBJ Não podem ser ligados em paralelos Sua queda em V BE não se ajusta; O TBJ que tiver V BE mais baixo tem I C maior. VMOS - Podem ser ligados em paralelos Coeficiente térmico negativo; As correntes são aproximadamente iguais. 10

11 MOSFET-E Tipo Intensificação - VMOS Vantagens TBJ Velocidade de chaveamento St Saturação; Tempo de atraso de saturação. VMOS Maior velocidade de chaveamento Não existe cargas extras estocadas; Pode sair da saturação quase imediatamente; De 10 a 100 vezes mais rápido que o TBJ. MOSFET-E VMOS Aplicações Amplificador Classe C 11

12 MOSFET-E VMOS Aplicações Interface Um buffer entre um dispositivo de baixa potência e uma carga de alta potência. MOSFET-E VMOS Aplicações Interface Um buffer entre um dispositivo de baixa potência e uma carga de alta p p g potência. 12

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